(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と該光電変換素子からの信号の読み出しに用いる複数の画素トランジスタを有する画素が２次元的に配列された撮像領域を有し、
前記各画素を駆動するための配線が積層され、
前記画素間の遮光部が前記配線のうちの複数の異なる配線を組み合わせて形成され、
前記複数の配線が単一の層上に形成され、
配線方向が交差する前記複数の配線の、交差部分における一方の配線が異なる層上の接続用配線を介して接続されている
固体撮像装置。
【請求項２】
複数の配線がそれぞれ一部不連続となる格子状に形成され、前記それぞれの格子状の配線が組み合わされて、前記複数の配線により前記画素の光電変換素子に対応する部分が開口した格子状に形成されている請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記複数の配線が電源配線とグランド配線で形成されている請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記電源配線または前記グランド配線のいずれか一方に接続された電圧供給配線が、オプティカルブラック画素の光電変換素子の直上を通って導出されている請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
オプティカルブラック画素の一部が省略され、前記電源配線または前記グランド配線のいずれか一方が前記オプティカルブラック画素の省略部分上まで延長され、前記いずれか他方が前記オプティカルブラック画素上まで延長されている請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記複数の配線のうちのいずれか一方の電圧または信号の供給配線が、オプティカルブラック画素の光電変換素子の直上を通って導出されている請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項７】
オプティカルブラック画素の一部が省略され、前記複数の配線のうち一方が前記オプティカルブラック画素の省略部分上まで延長され、前記いずれか他方が前記オプティカルブラック画素上まで延長されている請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項８】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の光電変換素子に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備えたカメラであって、
前記固体撮像装置は、
光電変換素子と該光電変換素子からの信号の読み出しに用いる複数の画素トランジスタを有する画素が２次元的に配列された撮像領域を有し、
前記各画素を駆動するための配線が積層され、
前記画素間の遮光部が前記配線のうちの複数の異なる配線を組み合わせて形成され、
前記複数の配線が単一の層上に形成され、
配線方向が交差する前記複数の配線の、交差部分における一方の配線が異なる層上の接続用配線を介して接続されている
カメラ。
【請求項９】
前記固体撮像装置において、前記複数の配線がそれぞれ一部不連続となる格子状に形成され、前記それぞれの格子状の配線が組み合わされて、前記複数の配線により前記画素の光電変換素子に対応する部分が開口した格子状に形成されている請求項８記載のカメラ。
【請求項１０】
前記複数の配線が電源配線とグランド配線で形成されている請求項９記載のカメラ。
【請求項１１】
前記固体撮像装置において、前記電源配線または前記グランド配線のいずれか一方に接続された電圧供給配線が、オプティカルブラック画素の光電変換素子の直上を通って導出されている請求項１０記載のカメラ。
【請求項１２】
前記固体撮像装置において、オプティカルブラック画素の一部が省略され、前記電源配線または前記グランド配線のいずれか一方が前記オプティカルブラック画素の省略部分上まで延長され、前記いずれか他方が前記オプティカルブラック画素上まで延長されている請求項１０記載のカメラ。
【請求項１３】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の光電変換素子に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を有するカメラを備えた電子機器であって、
前記固体撮像装置は、
光電変換素子と該光電変換素子からの信号の読み出しに用いる複数の画素トランジスタを有する画素が２次元的に配列された撮像領域を有し、
前記各画素を駆動するための配線が積層され、
前記画素間の遮光部が前記配線のうちの複数の異なる配線を組み合わせて形成され、
前記複数の配線が電源配線とグランド配線で形成され、
前記複数の配線が単一の層上に形成され、
前記複数の配線がそれぞれ一部不連続となる格子状に形成され、
前記それぞれの格子状の配線が組み合わされて、前記複数の配線により前記画素の光電変換素子に対応する部分が開口した格子状に形成され、
配線方向が交差する前記複数の配線の、交差部分における一方の配線が異なる層上の接続用配線を介して接続されている
電子機器。
【請求項１４】
前記電源配線または前記グランド配線のいずれか一方に接続された電圧供給配線が、オプティカルブラック画素の光電変換素子の直上を通って導出されている請求項１３記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、特に、光電変換素子により生成された電荷を画素信号に変換する変換部を画素内に含む固体撮像装置、例えばＣＭＯＳイメージセンサ等に関する。
また、本発明は、かかる固体撮像装置を備えたカメラに関する。
さらに、本発明は、かかるカメラを備えた電子機器に関する。
ここで、ＣＭＯＳイメージセンサとは、ＣＭＯＳプロセスを応用して、又は部分的に使用して作製されたイメージセンサである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージセンサは、光電変換素子と複数の画素トランジスタいわゆるＭＯＳトランジスタからなる画素が複数、２次元的に配列され、光電変換素子により生成された電荷を画素信号に変換して読み出す固体撮像装置である。近年、このＣＭＯＳイメージセンサは、携帯電話用のカメラ、デジタルスチルカメラあるいはデジタルビデオカメラ等の撮像装置として注目されている。
【０００３】
図１２に、一般的なＣＭＯＳイメージセンサの一例を示す。このＣＭＯＳイメージセンサ１は、例えばフォトダイオードからなる１つの光電変換素子２と複数の画素トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）からなる画素（単位セル）３を複数個、２次元的に配列してなる撮像領域４と、周辺回路とから構成される。
【０００４】
光電変換素子２では光を受けて光電変換により生成された信号電荷が蓄積される。複数の画素トランジスタは、この例では転送用トランジスタ６と、リセット用トランジスタ７と、増幅用トランジスタ８と、選択用トランジスタ９の４つのトランジスタで構成される。転送用トランジスタ６は、光電変換素子２に蓄積された信号電荷をフローティング・ディフージョン（ＦＤ）、したがって増幅用トランジスタ８のゲートに転送するためのトランジスタである。リセット用トランジスタ７は、増幅用トランジスタ８のゲ−ト電位をリセットするためのトランジスタである。増幅用トランジスタ８は、信号電荷を増幅するためのトランジスタである。選択用トランジスタ９は、出力画素を選択するためのトランジスタである。
【０００５】
画素３においては、転送用トランジスタ６のソースが光電変換素子２に接続され、そのドレインがリセット用トランジスタ７のソースに接続される。転送用トランジスタ６のゲートには、そのゲート電位を制御するための転送信号配線１１が接続される。リセット用トランジスタ７は、そのドレインが電源電圧供給線（以下、電源配線という）１０に接続され、そのゲートがゲート電位を制御するためのリセット信号配線１２に接続される。増幅用トランジスタ８は、そのドレインが電源配線１０に接続され、そのソースが選択用トランジスタ９のドレインに接続され、そのゲートが転送用トランジスタ６とリセット用トランジスタ７間のフローティング・ディフージョン（ＦＤ）に接続される。選択用トランジスタ９は、そのソースが画素出力線１４に接続され、そのゲートがゲート電位を制御するための選択信号配線１３に接続される。
【０００６】
画素出力線１４には定電流を供給するためのトランジスタ１６が接続され、選択された増幅用トランジスタ８に定電流を供給し、増幅用トランジスタ８をソースフォロアとして動作させ、増幅用トランジスタ８のゲート電位と、ある一定の電圧差をもつ電位が画素出力線１４に表れるようになされる。トランジスタ１６のゲートには、トランジスタ１６がある一定の電流を供給するような飽和領域動作をするよう、一定の電位を供給するための定電位供給線１７が接続される。
【０００７】
符号３２は、画素を形成する半導体ウェル領域の電位を抑えるためのグランド電位、符号３３はグランド配線を示す。
【０００８】
一方、周辺回路として、垂直選択手段２１、列選択手段２２及びＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路２３が配置される。さらに、画素３の各行毎に、出力端が転送信号線１１に接続された行選択用ＡＮＤ素子２５、出力端がリッセト信号線１２に接続された行選択用ＡＮＤ素子２６、及び出力端が選択信号配線１３に接続された行選択用ＡＮＤ素子２７がそれぞれ配置される。
【０００９】
各行の行選択用ＡＮＤ素子２５の一方の入力端には、転送信号配線１１に転送パルスを供給するためのパルス端子２８が接続され、他方の入力端には、垂直選択手段２１からの出力が接続される。各行の行選択用ＡＮＤ素子２６の一方の入力端には、リセット信号配線１２にリセットパルスを供給するためのパルス端子２９が接続され、他方の入力端には垂直選択手段２１からの出力が接続される。各行の行選択用ＡＮＤ素子２７の一方の入力端には、選択信号配線１３に選択パルスを供給するためのパルス端子３０が接続され、他方の入力端には、垂直選択手段２１からの出力が接続される。
【００１０】
このような構成により、垂直選択手段２１によって選択された行の各信号配線にのみ、各制御パルスが供給される。各画素３からの読み出し動作は、図１３に示す駆動信号を加えて次のようにして行われる。
【００１１】
図１３の転送信号（パルス）Ｓ１は転送信号配線１１に供給され、リセット信号（パルス）Ｓ２はリセット信号配線１２に供給され、選択信号（パルス）Ｓ３は選択信号配線１３に供給される。
【００１２】
先ず、選択パルスＳ３及びリセットパルスＳ２を供給して、読み出しを行う行の選択用トランジスタ９と、リセット用トランジスタ７を導通状態にして、増幅用トランジスタ８のゲート（いわゆるフローティング・ディフージョンＦＤ）の電位をリセットする。リセット用トランジスタ７を非導通にした後、各画素３のリセットレベルに対応した電圧を後段のＣＤＳ回路２３に読み出しておく。次に、転送パルスＳ１を供給して転送用トランジスタ６を導通状態にし、光電変換素子２に蓄積された電荷をフローティング・ディフージョン（ＦＤ）、したがって増幅用トランジスタ８のゲートに転送する。転送終了後、転送用トランジスタ６を非導通状態にした後、蓄積されていた電荷量に応じた信号レベルの電圧を後段のＣＤＳ回路２３に読み出す。
【００１３】
ＣＤＳ回路２３では、先に読み出しておいたリセットレベルと信号レベルとの差を取り、画素毎の増幅用トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈのばらつき等により発生する固定的なパターンノイズを相殺する。ＣＤＳ回路２３に蓄積された信号は列選択手段２２によって選択されると、水平信号線２４を通ってＡＧＣ（自動利得制御）等の後段の回路へ読み出されて処理される。
【００１４】
図１２に示す駆動配線すなわち転送信号配線１１、リセット信号配線１２、選択信号配線１３や、信号出力配線すなわち画素出力線１４、水平信号線２４や、電源配線１０、グランド配線３３は、複数層のメタル配線を使って形成される。例えば、垂直方向に配線される画素出力線１４は１層目に、水平方向の配線される駆動配線すなわち転送信号配線１１、リセット信号配線１２及び選択信号配線１３と、グランド配線３３は２層目に、電源配線１０は３層目にそれぞれ形成される。
【００１５】
また、電源配線や駆動配線と、画素トランジスタのソース・ドレインとなる拡散層、ゲート電極とを接続するためには、層間絶縁膜のスルーホールを介して、３層目から２層目、２層目から１層目、１層目から拡散層、ゲート電極へと接続するようにしている。光電変換素子への集光を、これらの複数層のメタル配線を通して行う表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像装置では、光電変換素子直上を避けるように配線することで、メタル配線での光の蹴られを避け、集光効率を上げている。配線の層数が増えると、コスト増加と、アスペクト比の増加から集光効率の低下が避けられない。
【００１６】
メタル配線の他の役割としては、画素間の遮光がある。イメージセンサ表面に到達した光は、オンチップレンズを用いて各光電変換素子に集光されるが、入射角が大きい場合には、本来集光したい光電変換素子の位置からずれた場所に光が入る可能性がある。隣の光電変換素子に入った場合には、混色となり、解像度低下等の画質劣化となる。これに対し、メタル配線を光電変換素子間に配置することで、隣接画素への混色を抑制し、画質劣化を防ぐことができる。また、画素間遮光のために、ダミー配線を形成する構成も提案されている（特許文献１参照）。
【００１７】
図１４に、従来の撮像領域の配線構造の例を示す。図１４の例では、各配線を３層構造で形成される。画素出力線１４は１層目の垂直方向に延長するメタル配線で形成される。駆動配線となる転送信号配線１１、リセット信号配線１２及び選択信号配線１３と、グランド配線３３は、互いに平行するように、２層目の水平方向に延長するメタル配線で形成される。電源配線１０は３層目のメタル配線で形成され、格子状に形成される。実際には、電源配線や駆動配線を各画素トランジスタの拡散層、ゲート電極に接続するために、前述したように、３層目から２層目、２層目から１層目、そして１層目から接続するようにしているが、ここでは省略している。３層目の電源配線１０は、画素間の遮光の役割を兼ねている。
【００１８】
なお、特許文献２にはＣＭＯＳ固体撮像装置の配線回路が記載されている。特許文献３，４にはＣＣＤ固体撮像装置における遮光膜について記載されている。特許文献５にはＣＭＯＳ固体撮像装置における遮光膜について記載されている。
【００１９】
【特許文献１】特開２００５−２７７４０４号公報
【特許文献２】特開２００３−２３００５５号公報
【特許文献３】特開２００５−２１６８８６号公報
【特許文献４】特開平１１−２０４７６８号公報
【特許文献５】特開２００４−１０４２０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ＣＭＯＳイメージセンサでは、画素アレイ内にメタル配線で、画素トランジスタの駆動、画素出力、電源、グランドの為の配線を行っている。配線が形成さている側から光電変換素子へ光を入射させる、いわゆる表面照射型のＣＭＯＳイメージセンサでは、配線により光が蹴られることによる感度低下を避ける必要がある。また、集光効率を上げて感度向上を図るためには、光電変換素子からオンチップレンズまでの距離を短くする低背化が望まれる。
【００２１】
図１４の配線構造では、配線自体の寄生抵抗、容量による信号遅延の影響、シェーディングの発生なども懸念される。これらは画質劣化を招く。例えば、光学サイズの大きいＣＭＯＳイメージセンサでは、配線寄生抵抗、容量が問題になる場合がある。撮像領域内の位置により画素の特性が異なるため、シェーディング等の画質劣化が発生する。特に、電源配線やグランド配線は出力への影響が強いため、低抵抗、低容量な配線が望まれる。一方、メタル配線は、画素間の混色抑制のための遮光としても用いられている。これらの要件、要求特性を満たすために、メタル配線の自由度を上げることは重要である。
【００２２】
前述したように、画素間の遮光は格子状の電源配線で行っているので、格子の開口部を広くすることが集光効率を上げ感度を上げることができる。しかし、２層目のメタル配線で水平方向に沿って平行する４本の配線を形成しているため、配線密度が高くなり、各配線の線幅を細くしても、配線の一部、図１４では両側の転送信号配線１１及びグランド配線３３が格子状の電源配線１０の開口内にはみ出すことになる。このため、実際の開口面積が狭くなり、その分、感度が低下してしまう。また、配線の寄生抵抗が大きいことでシェーディングが発生しやすい。
【００２３】
４本の配線の配列密度が高いので、グランド配線３３と隣接する駆動配線との間の間隔が狭く、そのため両配線間のカップリング容量が大きくなり、グランド電位のゆらぎが発生し易くなる。配線幅が狭く配線の寄生抵抗が大きいこともグランド電位のゆらぎに影響を与えている。グランド電位のゆらぎはノイズとして表れる。
【００２４】
本発明は、上述の点に鑑み、より感度の向上及び画質の向上を図った固体撮像装置、この固体撮像装置を備えたカメラ及びこのカメラを備えた電子機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明に係る固体撮像装置は、光電変換素子と該光電変換素子からの信号の読み出しに用いる複数の画素トランジスタを有する画素が２次元的に配列された撮像領域を有し、各画素を駆動するための配線が積層され、画素間の遮光部が前記配線のうちの複数の異なる配線を組み合わせて形成され、複数の配線が単一の層上に形成され、配線方向が交差する複数の配線の、交差部分における一方の配線が異なる層上の接続用配線を介して接続されていることを特徴とする。
【００２６】
本発明にカメラは、固体撮像装置と、固体撮像装置の光電変換素子に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備えたカメラである。固体撮像装置は、光電変換素子と該光電変換素子からの信号の読み出しに用いる複数の画素トランジスタを有する画素が２次元的に配列された撮像領域を有し、各画素を駆動するための配線が積層され、画素間の遮光部が前記配線のうちの複数の異なる配線を組み合わせて形成され、複数の配線が単一の層上に形成され、配線方向が交差する複数の配線の、交差部分における一方の配線が異なる層上の接続用配線を介して接続されていることを特徴とする。
【００２７】
本発明に係る電子機器は、固体撮像装置と、固体撮像素子の光電変換素子に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を有するカメラを備えた電子機器である。固体撮像装置は、光電変換素子と該光電変換素子からの信号の読み出しに用いる複数の画素トランジスタを有する画素が２次元的に配列された撮像領域を有し、各画素を駆動するための配線が積層され、画素間の遮光部が前記配線のうちの複数の異なる配線を組み合わせて形成され、複数の配線が電源配線とグランド配線で形成され、複数の配線が単一の層上に形成され、複数の配線がそれぞれ一部不連続となる格子状に形成され、それぞれの格子状の配線が組み合わされて、複数の配線により画素の光電変換素子に対応する部分が開口した格子状に形成され、配線方向が交差する複数の配線の、交差部分における一方の配線が異なる層上の接続用配線を介して接続されていることを特徴とする。
【００２８】
本発明の固体撮像装置では、積層された配線のうち複数の配線で遮光部が形成されるので、他の層の配線密度が緩和され、複数の配線で形成される格子状の遮光部の開口面積が広がる。また、遮光を兼ねる上記配線、及び他の配線の低抵抗化、低容量化が図られる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る固体撮像装置によれば、複数の配線で形成される格子状の遮光部の開口面積が広がるので、集光効率が上がり感度の向上を図ることができる。また、配線の低抵抗化、低容量化が図られるので、シェーディング等による画質劣化が抑制され、画質向上を図ることができる。
【００３０】
本発明に係るカメラによれば、上記固体撮像装置を備えることにより、高感度かつ高画質の画像が得られる。
本発明に係る電子機器によれば、高感度かつ高画質の画像が得られるカメラを備えることにより、電子機器の高性能化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３２】
本発明に係る固体撮像装置は、一般的な表面照射型のＣＭＯＳイメージセンサに適用することができる。以下の本発明の各実施の形態に係る固体撮像装置は、前述の図１２の概略構成に適用した例について説明するが、これに限られるものではない。
【００３３】
本実施の形態に係る固体撮像装置、すなわちＣＭＯＳイメージセンサの概略構成は、図１２で説明したと同様である。すなわち、本実施の形態の固体撮像装置は、例えばフォトダイオードからなる１つの光電変換素子と複数の画素トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）からなる画素（単位セル）を複数個、２次元的に配列した撮像領域と、周辺回路とから構成される。複数の画素トランジスタは、図１２の例では転送用トランジスタと、リセット用トランジスタと、増幅用トランジスタと、選択用トランジスタの４つのトランジスタで構成される。
【００３４】
転送用トランジスタのゲートには転送信号配線が接続され、リセット用トランジスタのゲートにはリセット信号配線が接続され、選択用トランジスタのゲートには選択信号配線が接続される。選択用トランジスタのソースには画素出力線が接続される。また、リセット用トランジスタのドレイン及び増幅用トランジスタのドレインには電源配線が接続される。さらに、グランド配線が配線される。これら各配線はメタル配線からなり、光電変換素子が形成された基板表面側に層間絶縁膜を介して多層に形成される。
【００３５】
多層配線層上には、平坦化膜を介してオンチップカラーフィルタ及びオンチップレンズが形成される。
【００３６】
一方、周辺回路として、垂直選択手段、列選択手段及びＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路などが配置される。さらに画素の各行毎に、出力端が転送信号線に接続された行選択用ＡＮＤ素子、出力端がリセット信号線に接続された行選択用ＡＮＤ素子、及び出力端が選択信号線に接続された行選択用ＡＮＤ素子がそれぞれは位置される。
【００３７】
その他の構成及び動作は、図１２で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。
【００３８】
そして、本実施の形態は、多層配線における配線構造に特徴を有する。図１に、本発明に係る固体撮像装置、特にその配線構造の第１実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置４１は、撮像領域４２において、画素出力線４３を垂直方向に延長する１層目のメタル配線で形成し、転送信号配線４４、リセット信号配線４５及び選択信号配線４６を互いに平行して水平方向に延長する２層目のメタル配線で形成する。さらに、本実施の形態では、電源配線４７とグランド配線４８がそれぞれ一部不連続となる格子状に、３層目のメタル配線で形成される。
【００３９】
電源配線４７は、１つの格子状を形成する水平の桟４７ａが中央で分離した形状に形成され、グランド配線４８も同様に、１つの格子状を形成する水平の桟４８ａが中央で分離した形状に形成される。これら電源配線４７及びグランド配線４８が互いの分離された部分に互いの格子状を形成する垂直の桟４７ｂ、４８ｂが配置されるように組み合わされる。この電源配線４７とグランド配線４８により、画素の光電変換素子５１に対応する部分に開口５２を形成した格子状の遮光部５３が形成される。
【００４０】
そして、各電源配線４７及びグランド配線４８の分離された水平の桟４７ａ同士、桟４８ａ同士は、電源配線４７とグランド配線４８の配線方向が交差する交差部分において、２層目のメタル配線で形成した接続用配線５５により接続される。
【００４１】
２層目のメタル配線による水平方向に延長する転送信号配線４４、リセット信号配線４５及び選択信号配線４６は、電源配線４７及びグランド配線４８の格子状を形成する水平の桟４７ａ及び４８ａの線幅ｄ１，ｄ２（本例ではｄ１＝ｄ２）内に在って互いに平行して形成される。しかし、電源配線４７及びグランド配線４８の交差部分では、接続用配線５５が形成されているため、両側の配線、本例では転送信号配線４４と選択信号配線４６が、開口５２の一部に張り出すように形成される。
【００４２】
第１実施の形態に係る固体撮像装置４１によれば、一部不連続の格子状の電源配線４７とグランド配線４８を３層目のメタル配線で形成すると共に、この電源配線４７及びグランド配線４８の交差部分の不連続部分を２層目のメタル配線による接続用配線５５で接続している。そして、この電源配線４７及びグランド配線４８の組み合わせで、格子状の遮光部５３を形成するようにしている。この構成により、画素間の遮光を行い画素間の混色を抑制することができ、画質を向上することができる。また、光電変換素子５１を臨む開口５２の面積を広くすることができ、集光効率が上がり感度を向上することができる。
【００４３】
すなわち、図１４では３層目の格子状の電源配線１０の開口１０Ａ内には２層目のグランド配線３３及び転送信号配線１１が張り出しており、実効的な開口は電源配線１０と転送信号配線１１とグランド配線３３で囲まれた領域となる。これに対して、本実施の形態における遮光を兼ねる配線の実効的な開口５２は、３層目の電源配線４７及びグランド配線４８と、一部張り出した２層目の配線例えば転送信号線４４及び選択信号線４６とで囲まれた領域である。本実施の形態では２層目の配線の張り出し面積が少ない分、開口面積を大きくすることができ、従来の図１４に比べて集光効率が上がり、感度を向上することができる。
【００４４】
グランド配線４８が３層目に形成されているので、２層目の信号配線との間のカップリング容量が少なくなり、かつグランド配線４８が格子状に形成されているので、配線寄生抵抗が小さくなる。接続用配線５５は２層目に形成されているが、配線長さが短いので、接続用配線５５とこれに隣接する信号配線間のカップリング容量は小さく抑えられる。これによって、グランド電位のゆらぎが抑えられ、グランド電位を安定化することができる。グランド電位が安定化することにより、ノイズの発生を抑制することができる。
【００４５】
さらに、電源配線４７及びグランド配線４８が格子状に形成されることで配線自体の寄生抵抗、容量が低く抑えられ、シェーディングの発生を抑え、シェーディングによる画質劣化を抑制することができる。また、２層目の配線密度も従来に比して緩和されるので、配線の低抵抗、低容量化を図ることが可能になり、信号遅延の影響が抑えられ、それにより発生する画質低下を抑制することができる。
【００４６】
配線の層数は図１４と同じ３層に維持されるので、光電変換素子の受光面からオンチップレンズまでの距離を短くした低背化ができ、感度を上げることができる。
上記の構成により、２層目の配線数を減らし、光学的な蹴られを抑える配線構造を設計する自由度を上げることができる。
【００４７】
第１実施の形態では、３層目のメタル配線で格子状の電源配線４７及びグランド配線４８を形成し、両配線４７及び４８の組み合わせで格子状の遮光部５３を形成するようにした。その他、３層目のメタル配線で信号配線４４，４５，４６のいずれか１つの信号配線と、電源配線４７またはグランド配線４８電源配線のいずれか１つとを、図１と同様にして一部不連続の格子状に形成し、接続用配線５５を用いるようにして、両配線の組み合わせで遮光部５３を形成するように構成することも可能である。この場合には、電源配線４７またはグランド配線４８のいずれか他方が２層目のメタル配線で他の信号線と共に、平行にかつ水平方向に延長して形成される。
この構成においても、遮光部の開口が広がり、感度の向上が図れる。また、配線の低抵抗化、低容量化で画質の向上が図れる。
【００４８】
図２に、本発明に係る固体撮像装置、特にその配線構造の第２実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置６１は、撮像領域４２において、画素出力線４３を垂直方向に延長する１層目のメタル配線で形成し、転送信号配線４４、リセット信号配線４５及び選択信号配線４６を互いに平行して水平方向に延長する２層目のメタル配線で形成する。さらに本実施の形態では、電源配線４７とグランド配線４８がそれぞれ一部不連続となる格子状に、３層目のメタル配線で形成される。
【００４９】
電源配線４７は、１つの格子状を形成する水平の桟４７ａが中央で分離した形状に形成され、グランド配線４８も同様に、１つの格子状を形成する水平の桟４８ａが中央で分離した形状に形成される。これら電源配線４７及びグランド配線４８が互いの分離された部分に互いの格子状を形成する垂直の桟４７ｂ、４８ｂが配置されるように組み合わされる。この電源配線４７とグランド配線４８により、画素の光電変換素子５１に対応する部分に開口５２を形成した格子状の遮光部５３が形成される。
【００５０】
そして、一部不連続となる格子状の電源配線４７及びグランド配線４８は、第１実施の形態で示した接続用配線で接続せず、そのままの状態で端部において、不連続とされた各電源配線４７を配線６２により共通接続し、不連続とされた各グランド配線４８を配線６３により共通接続して構成される。
【００５１】
２層目の転送信号配線４４、リセット信号配線４５及び選択信号配線４６は、水平方向の全長にわたって直線状に形成される。両側の例えば転送信号配線４４及び選択信号配線４６は、電源配線４７とグランド配線４８の組み合わせによる格子状の遮光部５３における開口５２内に張り出さないように形成される。
その他の構成は、第１実施の形態と同様であるの、重複説明を省略する。
【００５２】
第２実施の形態に係る固体撮像装置６１によれば、３層目のメタル配線で形成した電源配線４７及びグランド配線４８の組み合わせパターンにより、格子状の遮光部５３を形成し、しかも２層目の信号配線４４，４６が開口５２内に張り出していないので、各光電変換素子が臨む開口５２の面積を広くすることができる。本実施の形態での開口面積は、第１実施の形態での開口面積より広くなる。従って、集光効率が上がり、感度を向上することができる。
【００５３】
グランド配線４８が３層目に形成されているので、２層目の信号配線との間のカップリング容量が少なくなり、かつグランド配線４８が、一部不連続であるが格子状に形成されているので、配線寄生抵抗が小さくなる。これによって、グランド電位のゆらぎが抑えられ、グランド電位を安定化することができる。グランド電位が安定化することにより、ノイズの発生を抑制することができる。
【００５４】
さらに、電源配線４７及びグランド配線４８が格子状に形成されることで配線自体の寄生抵抗、容量が低く抑えられ、シェーディングの発生を抑え、シェーディングによる画質劣化を抑制することができる。また、２層目の配線密度も従来に比して緩和されるので、配線の低抵抗、低容量化を図ることが可能になり、信号遅延の影響が抑えられ、それにより発生する画質低下を抑制することができる。
【００５５】
配線の層数は図１４と同じ３層に維持されるので、光電変換素子の受光面からオンチップレンズまでの距離を短くした低背化ができるので、感度を上げることができる。
上記の構成により、２層目の配線数を減らし、光学的な蹴られを抑える配線構造を設計する自由度を上げることができる。
【００５６】
なお、第２実施の形態の構成では、電源配線４７、グランド配線４８の不連続部分を接続用配線で接続していないので、電源配線４７及びグランド配線４８の寄生抵抗の低減化に関しては、第１実施の形態の方が有利である。総合的には第１実施の形態の方が、第２実施の形態よりも優れている。
【００５７】
図３に、本発明に係る固体撮像装置、特にその配線構造の第３実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置７１は、撮像領域４２において、画素出力線４３を１層目のメタル配線で形成し、信号配線のいずれか２つ本例では転送信号配線４４及びリセット信号配線４５と、グランド配線４８を互いに平行して水平方向に延長する２層目のメタル配線で形成する。さらに、本実施の形態では、電源配線４７と選択信号線４６を３層目のメタル配線で形成し、これら電源配線４７と選択信号配線４６の組み合わせにより、格子状の遮光部５３が形成される。
【００５８】
電源配線４７は、広い線幅ｄ３を有して垂直方向に延長するように所要の間隔、すなわち光電変換素子が臨む間隔を置いて複数平行に形成される。選択信号線４６は、広い線幅ｄ４（本例ではｄ３＝ｄ４）を有して水平方向に延長するように形成される。選択信号線４６は、電源配線４７と交差する部分が不連続となるように形成され、不連続の交差部分において、２層目のメタル配線で形成した接続用配線７２を介して接続される。この垂直方向に延長する電源配線４７と水平方向に延長する選択信号線４６により、画素の光電変換素子５１に対向する部分に開口５２を形成した格子状の遮光部５３が形成される。各電源配線４７は、端部において配線７３により共通接続される。
【００５９】
２層目のメタル配線による水平方向に延長する転送信号配線４４、リセット信号配線４５及びグランド配線４８は、選択信号配線４６の線幅ｄ４内に在って互いに平行して形成される。しかし、電源配線４７と選択信号配線４６の交差部分では、接続用配線７２が形成されているため、両側の配線、本例ではグランド配線４８と転送信号配線４４が、開口５２の一部に張り出すように形成される。
その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。
【００６０】
第３実施の形態に係る固体撮像装置７１によれば、３層目のメタル配線による垂直方向に延長する電源配線４７と水平方向に延長する選択信号線４６とにより、画素の光電変換素子５１に対応する部分に開口５２を有する格子状の遮光部５３が形成される。この遮光部５３の開口５２の面積は、第１実施の形態と同様に、従来の図１４の開口面積より広なり、その分、集光効率が上がり感度を向上することができる。
【００６１】
また、２層目の配線密度が緩和されることにより、グランド配線４８とリセット信号配線４５との間のカップリング容量が低減し、またグランド配線４８と３層目の選択信号配線４６との間にカップリング容量も低減することができる。これにより、グランド電位のゆらぎを抑え、グランド電位を安定化することができる。
【００６２】
さらに、本実施の形態においても、シェーディングの発生を抑え、シェーディングによる画質劣化を抑制することができる。また、２層目の配線密度も従来に比して緩和されるので、配線の低抵抗、低容量化を図ることが可能になり、信号遅延の影響が抑えられ、それにより発生する画質低下を抑制することができる。
【００６３】
配線の層数は図１４と同じ３層に維持されるので、光電変換素子の受光面からオンチップレンズまでの距離を短くした低背化ができるので、感度を上げることができる。
上記の構成により、２層目の配線数を減らし、光学的な蹴られを抑える配線構造を設計する自由度を上げることができる。
【００６４】
なお、総合的には第３実施の形態よりも、第１実施の形態及び第２実施の形態の方が優位である。
【００６５】
第３実施の形態において、選択信号配線４６を、転送信号配線４４又はリセット信号配線４５に置き換えて構成することもできる。また、画素出力線４３、駆動配線（４４，４５，４６）などから選ばれた２つの配線を３層目の格子状メタル配線で形成することも適用可能である。また、配線層数に関しても、３層に限らない。２層、４層、それ以上の層数とすることもできる。
【００６６】
上例の実施の形態では単位画素を構成する画素トランジスタを４トランジスタ構成としたが、その他選択用トランジスタを省略した３トランジスタ構造とした場合にも本発明は適用できる。さらに複数の光電変換素子及び転送用トランジスタに対して、他の画素トランジスタを共有させた、いわゆる画素共有型のＣＭＯＳ固体撮像装置にも本発明は適用できる。
【００６７】
次に、上述した本発明の実施の形態に係る固体撮像装置において、３層目の異なる配線にそれぞれ異なる電源、あるいは電源と信号を外部から供給するための構成例について説明する。
【００６８】
この構成の説明に先立って、同一層の異なる配線に異なる電圧、例えば異なる電源、あるいは電源とグランドを供給する場合に適した構成例について、従来との比較で説明する。本発明の実施の形態では、この構成例を利用することができる。
【００６９】
固体撮像装置において、信号の明るさレベルを決めるには、基準となる黒レベルが必要である。この黒レベルを決めるには、メタル配線で光電変換素子となるフォトダイオード（ＰＤ）上を遮光したオプティカルブラック画素（以下、ＯＰＢ画素という）が用いられる。配線層毎に、水平方向、垂直方向と用途が分かれている中で、遮光メタル配線には、各画素に対応して開口を有する格子状の電源配線の層を利用することが適している。図  ６に示すように、遮光メタル８１で覆われたＯＰＢ画素領域８９のＯＰＢ画素８２は、有効画素領域８０の遮光メタル８１の開口８４に臨む有効画素８５と特性を揃えるために、有効画素８５の直ぐ外周に形成される。また、ＯＰＢ画素８２は、有効画素領域８０内における上下、左右の有効画素８５の特性差をキャンセルするため、上下左右の４辺に作り込まれる。
【００７０】
黒レベルの基準を決める役割から、ＯＰＢ画素８２は有効画素８５と同じ特性であることが望ましい。しかし、素子上の配線パターンが異なることで、電気的、また製造プロセス上で差分が生じ、特性がずれることがある。このとき、ＯＰＢ画素８２と有効画素８５に対して電源に差を付けることで特性の差分をキャンセルすることができる。図６に示すように、有効画素領域８０の電源配線層でＯＰＢ画素領域８９上の遮光メタルを共用するときには、同一電源であれば、そのまま外部へ電源を取り出すことができる。しかし、有効画素８５とＯＰＢ画素８２を異なる電源にしようとした場合には、両者の配線を切り離し、個別に電源を取り出す必要がある。
【００７１】
図７に示すように、有効画素８５は外周をＯＰＢ画素８２で囲まれているので、有効画素８５用に電源を取り出す場合には、外周を覆っているＯＰＢ画素領域８９におけるＯＰＢ画素８２及び遮光メタル８７の一部を省略し、その部分を通して有効画素領域８０における有効画素８５の電源配線８６を取り出す構成が考えられる。ＯＰＢ画素領域８９上の遮光メタル８７は、ＯＰＢ画素８２の電源配線となる。
しかし、このような電源配線８６、８７にすると、有効画素８５への電源供給が非対称になり、画面内シェーディングの原因になっており、ＯＰＢ画素８２を省略した分、上下左右での特性差の情報が不足する懼れがある。
【００７２】
異なる電源の取り出しについては、前述した本発明の実施の形態に係る３層目メタル配線で電源配線及びグランド配線を形成した場合に同様の問題が発生する。
【００７３】
そこで、本発明では、図８に示すように、有効画素８５で使用する電源を外部から供給する際、ＯＰＢ画素８２上を遮光メタル８７以外の配線層８８で供給する構成とする。この構成によれば、有効画素領域８０における電源配線８６の外部取り出しの配線８８は上下左右対称に導出することができる。すなわち、ＯＰＢ画素８２を一部無くしたり、電源供給の非対称性を発生したりすることもなく、ＯＰＢ画素部８２と有効画素部８５に異電源を供給することができる。但し、画素サイズが小さく元々の画素に１本配線を追加するのが困難で、図８の手段を取ることが困難な固体撮像装置の場合には、図７の手段で電源供給を行う構成として、フォトダイオード上を通さない構成としてもよい。
【００７４】
図４に、前述した第１実施の形態の３層目のメタル配線で電源配線４７とグランド配線４８を形成した構成に、図８の電源配線及びグランド配線の取り出し手段を適用した、本発明の第４実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置７５は、光電変換素子５１を有する有効画素７６が配列された有効画素領域７７上の電源配線４７を、外周のＯＰＢ画素７８が配列されたＯＰＢ画素領域７９上に延長して遮光メタル９１として共用する。
有効画素領域７７においては、ＯＰＢ画素領域７９に隣接する部分に無効画素領域９２が形成されている。
【００７５】
そして、本実施の形態では、有効画素領域７７のグランド配線４８を、３層目以外の他の層、本例では２層目のメタル配線による電圧供給配線９３を介して外部まで導出して構成される。電圧供給配線９３は、この例ではグランド電圧供給用の配線となる。このとき、電圧供給配線９３は、無効画素領域９２の光電変換素子５１及びＯＰＢ画素７８の光電変換素子５１の直上を通るように配線される。また、電圧供給配線９３は、図８で示したように、上下左右の４辺に対称性をもって、且つ周囲の無効画素領域９２に対応する各開口５２を通過するように形成される。この構成では、電源電圧は外周のＯＰＢ画素領域７９上の遮光メタル９１から供給され、グランド電圧は電圧供給配線９３から供給される。
【００７６】
なお、電源配線４７とグランド配線４８のパターンを、図４と逆の構成とし、グランド配線４８をＯＰＢ画素領域７９まで延長してＯＰＢ画素領域上の遮光メタルとして共用させ、電源配線４７を電圧供給配線９３を介して外部へ導出するように構成することもできる。
【００７７】
第４実施の形態に係る固体撮像装置７５によれば、３層目の電源配線４７及びグランド配線４８を共に、上下左右対称性をもって、異なる電源電圧、グランド電圧の供給を行うことができる。グランド配線４８の取り出しに際し、ＯＰＢ画素領域７９の光電変換素子直上を通って配線することにより、セルサイズの小さな画素でも電源供給、グランド供給の非対称性を発生させることなく、ＯＰＢ画素領域７９と有効画素領域７７に異なる電位を供給することができる。
【００７８】
図５に、前述した第１実施の形態の３層目のメタル配線で電源配線４７とグランド配線４８を形成した構成に、図７の電源配線及びグランド配線の取り出し手段を適用した、本発明の第５実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置９５は、ＯＰＢ画素領域７９の一部を省略し、その省略した部分に電源配線４７またはグランド配線４８のいずれか一方、本例では電源配線４７を延長して遮光メタル９１として共用される。他方のグランド配線４８は、省略部分を除く他部のＯＰＢ画素領域７９上に延長して遮光メタル９０として共用される。ＯＰＢ画素７８の省略部分は、図７で示した片側のみに形成し、電源配線４７を片側のみに延長して構成してもよい。あるいは、ＯＰＢ画素７８の省略部分を左右対称位置に設けて、電源配線４７を左右対称に延長して構成することもできる。
【００７９】
第５実施の形態に係る固体撮像装置９５によれば、電源配線４７及びグランド配線４８の外部取り出しが可能になり、特に、画素サイズの小さい固体撮像装置に適用して好適である。
【００８０】
図９は、有効画素領域７７の電源とＯＰＢ画素領域７９の電源を異なる場合の、それぞれの配線の取り出しに適用した例である。有効画素領域７７の無効画素領域９２を除く他部上には、遮光を兼ねる格子状の有効画素用電源配線９６が形成され、ＯＰＢ画素領域７９上には遮光メタルを兼ねるＯＰＢ画素用電源配線９７が形成される。これら有効画素用電源配線９６とＯＰＢ画素用電源配線９７は、３層目のメタル配線により形成される。
【００８１】
そして、有効画素用電源配線９６を、無効画素領域９２の光電変換素子上、及びＯＰＢ画素７８の光電変換素子上を横切るように他の層、例えば２層目のメタル配線による電圧供給配線９３を介して、外部に導出して構成される。
この構成によれば、有効画素用電源配線９６及びＯＰＢ画素用電源配線９７に、それぞれ異なる電源を供給することができ、有効画素７６とＯＰＢ画素７８の特性を揃えることができる。
【００８２】
図１０に、比較のための図６に対応する従来の電源配線の取り出し例を示す。図１０においては、理解を容易にするため、図４、図５及び図９と対応する部分に同一符号を付している。図１０の例では有効画素領域７７の遮光メタルを兼ねる電源配線４７をＯＰＢ画素領域７９上まで延長して構成される。電源配線４７はＯＰＢ画素領域７９上の遮光メタルを兼ねると共に、有効画素７６とＯＰＢ画素７８の電源供給に共用される。
【００８３】
次に、３層目のメタル配線による２つの配線にそれぞれ異なる電圧、あるいは電圧、信号を供給するための構成例について説明する。
電源配線の取り出しにおいては、通常、ＯＰＢ画素領域の遮光メタルが全て同配線の場合、ＯＰＢ画素領域の外から直接供給することができる（図６参照）。これに対して、有効画素領域とＯＰＢ画素領域で電源を分けたい場合、あるいは同じ層のメタル配線で電源配線とグランド配線を設ける場合、一部ＯＰＢ画素領域を無くしたり、非対称な状態で電圧供給する手段が考えられる（図７参照）。また、遮光メタル以外の層でＯＰＢ画素領域を通すことも考えられるが、有効画素に対して新たな配線を追加するので、セルサイズの小さな画素ではこの手段が取り難い。しかし、図８の取り出し手段を構成するときは、電源を分ける場合、電源とグランドが同層の場合でも、有効画素領域からの出力用配線をＯＰＢ画素領域内の光電変換素子直上に配線するので、好ましい状態で電圧供給ができる。例えば、セルサイズの小さな画素の固体撮像装置においても、ＯＰＢ画素を無くしたり、電圧供給の非対称性を発生させることなく、ＯＰＢ画素領域と有効画素領域の同層の配線に、異なる電圧を供給することができる。図８の構成は、前述の本発明の第１、第２、第３実施の形態の固体撮像装置に適用することができる。図７の構成も、前述の本発明の第１、第２、第３実施の形態の固体撮像装置に適用することができる。
【００８４】
上述の配線取り出し方法の例では、電源やグランドなどを有効画素領域に接続するものを挙げたが、本配線取り出し方法は、駆動配線等でも、ＯＰＢ画素領域外からＯＰＢ画素領域を通過して有効画素領域に入力したいときにも適用できる。
【００８５】
図１１に、上述した本発明に係る固体撮像装置を備えたカメラの概略構成を示す。本実施の形態に係るカメラ１００は、光学系（光学レンズ）１０１と、固体撮像装置１０２と、信号処理回路１０３とを有して成る。固体撮像装置１０２は、上述した第１〜第５実施の形態のいずれか１つ、好ましくは第１実施の形態、第４実施の形態の配線構造を有する固体撮像装置等が適用される。光学系１０１は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１０２の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像装置１０２の光電変換素子において一定期間信号電荷が蓄積される。信号処理回路１０３は、固体撮像装置１０２の出力信号に対して種々の信号処理を施して出力する。本実施の形態のカメラ１００は、光学系１０１、固体撮像装置１０２及び信号処理回路１０３がモジュール化したカメラモジュールの形態を含む。
【００８６】
本実施の形態に係るカメラ１００によれば、本発明の固体撮像装置を備えるので、高感度かつ高画質の画像が得られる。
【００８７】
本発明は、上述した図１１のカメラ、あるいはカメラモジュールを備えた電子機器、例えば携帯電話に代表される携帯機器などを構成することができる。本実施の形態に係る電子機器によれば、高感度かつ高画質が得られるマメラを備えるので、高性能の電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す要部の構成図である。
【図２】本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態を示す要部の構成図である。
【図３】本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態を示す要部の構成図である。
【図４】本発明に係る固体撮像装置の第４実施の形態を示す要部の構成図である。
【図５】本発明に係る固体撮像装置の第５実施の形態を示す要部の構成図である。
【図６】比較のための従来の電源供給手段の例を示す概略構成図である。
【図７】本発明の固体撮像装置に適用される電圧供給手段の一例を示す概略構成図である。
【図８】本発明の固体撮像装置に適用される電圧、信号供給手段の好ましい例を示す概略構成図である。
【図９】有効画素領域とＯＰＢ画素領域に異なる電源を供給する場合の好適な例を示す要部の構成図である。
【図１０】比較のための従来の電源配線の例を示す要部の構成図である。
【図１１】本発明に係るカメラの実施の形態を示す概略構成図である。
【図１２】ＣＭＯＳ固体撮像装置の例を示す概略構成図である。
【図１３】図１２のＣＭＯＳ固体撮像装置の駆動信号を示す信号波形図である。
【図１４】従来に係るＣＭＯＳ固体撮像装置の配線構造の例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００８９】
４１、６１、７１、７５、９５・・固体撮像装置、４２・・撮像領域、４３・・画素出力線、４４・・転送信号配線、４５・・リセット信号配線、４６・・選択信号配線、４７・・電源配線、４８・・グランド配線、５１・・光電変換素子、５２・・開口、５３・・遮光部、５５、７２・・接続用配線、７７・・有効画素領域、７９・・ＯＰＢ画素領域、９２・・無効画素領域、９３・・電圧供給配線
【図１】
0005130946.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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